山地管道恒压喷雾中喷雾压力和孔径对雾滴粒径的影响

代秋芳,　洪添胜,　宋淑然,　薛秀云,　郑君彬

(1. 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室, 广州　510642;2. 华南农业大学工程学院, 广州　510642; 3. 华南农业大学电子工程学院, 广州　510642)



山地管道恒压喷雾中喷雾压力和孔径对雾滴粒径的影响

代秋芳1,3,洪添胜1,2*,宋淑然1,3,薛秀云3,郑君彬3

(1. 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室, 广州510642;2. 华南农业大学工程学院, 广州510642; 3. 华南农业大学电子工程学院, 广州510642)

为提高农药利用率,研究山地果园管道恒压喷雾系统中喷雾压力和孔径对雾滴粒径参数的影响,利用激光粒度仪,测量3种孔径空心圆锥雾喷头在8种压力下的6种雾滴粒径参数数据,分析各粒径级雾滴的分布情况,给出雾滴粒径大小及其随压力和孔径的变化趋势,进行了雾滴参数的多元线性回归,建立基于压力的雾滴参数模型。结果表明:粒径大于100 μm的雾滴(小于0.3%)和粒径为0～20 μm的雾滴(小于0.5%)可忽略不计,雾滴粒径主要分布于20～40 μm(79.5%～92.8%);雾滴均较细小,全部为气溶胶;孔径越小,压力越大,雾滴越细小;6种雾滴粒径参数与孔径和压力均有良好的二元线性关系(R2分别为0.928、0.956、0.949、0.949、0.889和0.815);6种雾滴粒径参数均随压力呈二次多项式变化规律,决定系数R2均达到了0.894以上。研究结果对山地果园管道恒压喷雾中喷头的选型、喷雾压力的调整及喷雾效果的优化有重要参考意义。

山地果园;管道恒压喷雾;雾滴粒径参数;喷雾压力;孔径

雾滴粒径参数是反映雾滴大小的主要指标[1-2],直接影响雾滴的飘移[3]、沉积[4-7]和药效的发挥[8],从而影响农药的利用率[9]和喷雾效果[10-11]。国内外学者采用各种方法对雾滴粒径进行测量[12],用图像处理技术对雾滴进行显微识别[13],利用高速摄像机结合数字图像处理技术对雾滴粒径分布和雾滴的运动进行分析[14-15],利用激光粒度仪测量雾滴谱[16],同时对影响喷头雾滴粒径参数的各种因素进行了分析[17-18]。但这些研究多为测量在较低压力喷雾时喷头的雾滴,大多集中在单因素对雾滴粒径的影响分析,而对适合果园需求的高压力喷雾时喷头的雾滴大小研究较少,主要影响因素与雾滴大小之间的相关关系研究也较少。

我国南方果园多为山地果园,多采用低矮密植型种植模式,移动式喷雾机械很难进入[19-20],为此笔者所在团队研究了果园管道恒压喷雾控制系统。由于管道喷雾无需机具在果园中移动,具有省力、省工、喷雾效果好等优点,适合山地果园使用[21]。管道喷雾依靠液泵形成的较高压力,将药液在喷头处进行雾化并施向靶标,但管道内药液的压力随作业人数的不同会产生波动,同时,药液在管道中流动时会出现压力损失,导致整个管网系统药液压力不稳定且各点压力各不相同。管道恒压控制装置可根据管道中压力的实际值与设定值间的误差及误差变化趋势,在线调整模糊PID的参数,经带有变速积分、微分先行优化算子的增量式PID算法计算,获得控制量以控制管道中药液的压力[22]。因此压力成为影响管道喷雾系统中喷头雾滴参数的最重要的因素之一。除压力外,在喷头类型选定后,喷头孔径也是影响雾滴粒径参数的重要因素。然而到目前为止,还未见有文献对管道恒压喷雾系统中应如何设置喷雾压力及如何选择喷头的孔径进行研究。

本文通过改变压力和孔径,利用激光粒度仪采集雾滴粒径参数数据,研究压力和孔径对果园用空心圆锥雾喷头雾滴大小的影响,掌握雾滴大小随压力和孔径的变化规律,可以根据喷施对象的所需雾滴大小设置管道恒压喷雾控制装置的压力,选择合适的喷头类型,从而提高喷雾效果。

1　描述雾滴粒径的参数

(1)VMD:体积中值粒径(volume median diameter,VMD)。指取样雾滴的体积按雾滴大小顺序进行累计,其累计值为取样雾滴体积总和的50%所对应的雾滴直径。根据雾滴群VMD的大小将雾滴分为4类:①粗雾:VMD≥400 μm;②细雾:100 μm≤VMD<400 μm;③弥雾:50 μm≤VMD<100 μm;④气溶胶:VMD<50 μm。

(2)VAD:体积平均粒径(volume average diameter,VAD)。指取样雾滴平均体积所对应的直径。

(3)S/V:体积比表面积。指单位体积雾滴的表面积。

(4)SMD:表面积平均粒径(superficial area median diameter,SMD)。指粒径对表面积的加权平均。

(5)NAD:数量平均粒径(number average diameter,NAD)。指取样雾滴群的直径之和与雾滴群个数之和的比值。

(6)NMD:数量中值粒径(number median diameter,NMD)。指取样雾滴的个数按雾滴大小顺序进行累计,其累计值为取样雾滴个数总和的50%所对应的雾滴直径。

(1)

(2)

(3)

其中:Ni、Di、Si和Vi分别为第i种粒径雾滴的数目、直径、面积和体积,雾滴按从小到大排列。

2　数据获取

雾滴粒径参数数据通过激光粒度仪获取。激光粒度仪通过测量颗粒群的散射谱,散射谱的强度与被测颗粒群的大小有关,并经透镜再次汇聚后,被位于透镜后焦面上的光电阵列探测器所接收,转换成电信号后经放大和A/D转换经通讯口送入计算机,进行反演运算和数据处理后,即可给出被测颗粒群的雾滴粒径参数。

2.1试验设备

2.1.1喷雾性能综合试验平台

喷雾性能综合试验平台主要由机械结构、电气控制和数据采集处理3部分组成。可提供本试验中所需雾滴并测量雾滴粒径参数。

2.1.2激光粒度仪

Winner318B激光粒度仪可测定雾滴粒径参数。该仪器采用信息光学原理,通过测量颗粒群的散射谱,来分析雾滴粒径大小。其准确性误差<3%;重复性误差<3%;绿色激光器,波长532 nm,功率30 mW;量程为15～711 μm。

2.1.3拉丝模孔径测量仪

拉丝模孔径测量仪可测量喷头孔径。测量仪将光学与数码、软件相结合,在软件中对孔径进行测量,可得出圆孔的直径。测量仪的分辨率为0.1 μm;重复精度为±0.5 μm;测量范围为0.05～30 mm;变倍方式为连续变倍,最大倍率为800倍。

2.2试验对象

对Lechler TR80系列3种型号TR80-01C、TR80-02C和TR80-03C喷头的雾滴粒径参数进行测量,喷头内部结构图如图1所示。该系列喷头压力范围为0.3～2.0 MPa,是一种带陶瓷芯的空心圆锥雾喷头,高耐磨,耐化学药剂,有极细雾滴谱,适用于压力要求较高的山地果园管道喷雾系统。

该系统在果园埋下塑料管网,管网进液端配有药池、恒压喷药控制系统,埋设的管道每隔一段距离就安装上升至地面的立式管,每个立管在打药时再与软管、喷枪相连接,使用电动机带动药泵加压,把药液输送到果树旁,人工逐株打药,适合多人同时打药,如图2所示。恒压喷药控制系统由变频器、变频电动机、药泵、压力变送器、恒压控制箱组成,可使出水口压力保持恒定,出水口压力可根据本文研究成果进行合理设定。

2.3试验方法

试验用水为清水;用喷雾性能综合试验平台调节压力在0.70～1.40 MPa间变化,每次步进0.10 MPa;用拉丝模孔径测量仪对喷头孔径进行测量,测得TR80-01C的喷嘴孔径为1.0 mm,TR80-02C为1.4 mm,TR80-03C为1.8 mm;用激光粒度仪对喷头中轴线上距喷嘴15 cm处的雾滴颗粒群的散射谱进行测量,得到雾滴能谱数据,再将能谱数据转换为雾滴粒径参数数据。

图1　喷头内部结构图Fig.1　Internal structure of nozzles

试验前用标准物质(直径为25 μm)对激光粒度仪进行标定。每次测量前先进行背景测试,背景测试累计10次后再进行样品测试以去除背景光的影响。每条样品测试数据为某个时刻样品的雾滴参数。本试验在每种工况下对样品连续测量100次得到100条测试数据,100条测试数据取平均值后作为每种工况下样品的测试数据。

图2　管道恒压喷雾设施示意图Fig.2　Sketch map of pipeline constant pressure spray facilities

3　数据处理与分析

首先将试验获得的能谱数据转换为雾滴粒径数据,然后分析各粒径级雾滴的分布情况,分析雾滴粒径大小,给出雾滴参数随压力和孔径的变化趋势,并对雾滴参数进行多元线性回归,最后建立基于压力的雾滴参数模型。

能谱数据向雾滴粒径数据转换时产生的计算误差称拟合误差。本试验拟合误差均小于0.012,符合试验要求。

本试验利用Origin 9.0进行绘图及曲线拟合,利用SPSS 16.0对试验数据进行多元线性回归分析,利用Excel 2007进行数据处理。

3.1各粒径级雾滴的分布情况

根据3种喷头8种压力下雾滴的粒径分布数据,绘制各粒径级雾滴百分比的分布如图3所示。由于粒径D≥100 μm的雾滴很少,均少于0.3%,可忽略不计,所以仅绘制0～100 μm范围内雾滴的分布情况。可以看出:

(1) 雾滴均较细小。粒径为0～20 μm的雾滴比例均少于0.5%,可以忽略不计;主要是粒径为20～40 μm的雾滴,其比例均多于79.5%;粒径为40～60 μm的雾滴较少,其比例均少于10.6%;粒径为60～80 μm的雾滴较少,其比例均少于7.4%;粒径为80～100 μm的雾滴较少,其比例均少于2.1%。

(2) 按雾滴所占百分比从大到小排列为20～40 μm> 40～60 μm>60～80 μm>80～100 μm。

(3) 压力越大,孔径越小,雾滴粒径分布越集中,雾滴越细小。

图3　各粒径级雾滴所占百分比Fig.3　Droplet percentages for different droplet diameter classes

3.2雾滴粒径参数随压力和孔径的变化

为详细了解雾滴粒径参数的变化趋势,分别绘制出6种雾滴粒径参数VMD、VAD、S/V、SMD、NAD和NMD随压力和孔径变化的曲线,如图4所示。

从图4可以看出:

(1) 压力在0.70～1.40 MPa变化时,TR80-01C、TR80-02C和TR80-03C的VMD变化范围分别为30.6～31.9 μm、30.9～32.0 μm和31.0～32.317 μm。说明在试验压力范围内,雾滴均较细小且全部为气溶胶。

(2) 孔径不变、压力越大,VMD、VAD、SMD、NAD和NMD越小,S/V越大。说明压力越大,雾滴的粒径越小。原因是压力越大,液体流出喷孔的初速度就越大,喷孔中液体扰动程度及喷出喷孔后所受到的空气介质阻尼也越大,雾滴更易破碎。

(3) 压力不变,孔径越小,VMD、VAD、SMD、NAD和NMD越小,S/V越大,即雾滴的粒径越小;原因是喷孔直径越小,液体喷出喷孔时会受到更大的节流,喷孔内扰动增加,雾滴更易破碎。

(4)VMD和VAD随压力和孔径的变化趋势较NAD和NMD更明显。说明:侧重反映体积的粒径参数比侧重反映数量的粒径参数随压力和孔径的变化趋势更明显。

图4　压力和孔径对喷头雾滴粒径参数的影响Fig.4　Effects of pressure and pore diameter on droplet diameter parameters of nozzles

3.3基于压力和孔径的多元回归统计模型

雾滴的粒径大小与压力和孔径密切相关。从图4可以看出，6种雾滴粒径参数的变化趋势与压力和孔径的变化趋势基本一致,具有很强的相关性。其中,压力取值范围为0.80～1.40 MPa,步进0.10 MPa;孔径取值范围为1.0～1.8 mm,步进0.4 mm。分析结果如表1～3所示,可以看出:

(2) 由F检验可知,所有雾滴参数均有显著值P=0.000<0.01,表明VMD、VAD、S/V、SMD、NAD及NMD与孔径和压力之间均存在极显著的线性回归关系(见表2)。

(3) 由t检验可知,VMD、VAD、S/V、SMD及NAD的回归系数b0、b1和b2均有显著值P=0.000<0.01,表明方程的回归系数b0项(常数项)、b1项(孔径系数)和b2项(压力系数)影响均极显著;NMD的回归系数b0、b2均有显著值P=0.000<0.01,b1有显著值P=0.032<0.05,表明方程的回归系数b0项和b2项影响均极显著,回归系数b1项影响显著(见表3)。

综上,回归通过了F检验和t检验,且拟合优度较高,说明本文建立的雾滴粒径参数与压力和孔径的多元回归模型是准确的。

3.4雾滴粒径参数与压力的关系

经曲线回归依次分析VMD、VAD、S/V、SMD、NAD及NMD随压力的变化规律。在进行多项式回归时,同时利用线性函数、指数函数、对数函数和幂函数进行了回归分析,这些函数的相关系数均比多项式回归的相关系数要小,故采用多项式表示各雾滴参数随压力的变化规律(见表4)。以喷雾压力(单位MPa)为横坐标,雾滴参数为纵坐标,得3种型号喷头的6种雾滴参数与喷雾压力(0.80～1.40 MPa)的拟合曲线如图5所示。从表4和图5可以看出,雾滴参数随压力的变化规律均能用二次多项式表示,且回归均具有较高的决定系数,R2均达到了0.894以上。

表1　雾滴粒径参数回归方程拟合

表2　雾滴粒径参数回归方程方差分析及F检验

表3　雾滴粒径参数拟合的回归系数及t检验

表4　雾滴粒径参数的曲线拟合

图5　喷头雾滴粒径参数随压力的变化规律Fig.5　Variation of droplet diameter parameters of nozzles with different pressures

4　结论

Lechler TR80-01C、TR80-02C和TR80-03C型喷头在0.70～1.40 MPa压力下,粒径D≥100 μm的雾滴均少于0.3%,粒径为0～20 μm的雾滴均少于0.5%,可忽略不计,按雾滴所占百分比从大到小排列20～40 μm>40～60 μm>60～80 μm>80～100 μm;主要是粒径为20～40 μm的雾滴(79.5%～92.8%);VMD为30.6～32.3 μm,VAD为31.3～36.9 μm,雾滴均较细小,全部为气溶胶;压力越大、孔径越小,雾滴粒径越小。

VMD、VAD、S/V、SMD、NAD及NMD与孔径和压力均有较好的二元线性关系,建立了这6个雾滴参数的二元线性模型,模型决定系数R2分别为0.928、0.956、0.949、0.949、0.889和0.815。

VMD、VAD、S/V、SMD、NAD及NMD均随压力呈二次多项式变化规律,建立了这6个雾滴参数的二次多项式模型,决定系数R2均达到了0.894以上。

不同测试点雾滴粒径参数的变化规律有待进一步研究;其他因素对雾滴粒径的影响有待进一步研究。

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(责任编辑：田喆)

Influences of spray pressure and pore diameter on droplet diameter of pipeline constant pressure spray in mountains

Dai Qiufang1,3,Hong Tiansheng1,2,Song Shuran1,3,Xue Xiuyun3,Zheng Junbin3

(1. Key Laboratory of Key Technology for South Agricultural Machinery and Equipment,Ministry of Education, Guangzhou510642, China; 2. College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou510642, China; 3. College of Electronic Engineering,South China Agricultural University, Guangzhou510642, China)

In order to increase the pesticide usage efficiency and study the influences of spray pressure and nozzle pore diameter on droplet diameter parameters of pipeline constant pressure spray in mountainous orchards, five important aspects were researched with laser particle analyzer through measuring six types of droplet diameter parameters for three types of pore diameters under eight types of pressures. The droplet distribution of different droplet diameter classes was analyzed; the variation tendencies of droplets with different pressures and nozzle pore diameters were measured; multiple linear regression of droplet diameter parameters was conducted, and droplet diameter parameter models were built based on pressure. The results showed that droplets with diameters more than 100 μm (<0.3%) and 0-20 μm (<0.5%) could be neglected, and the main droplet diameters were 20-40 μm (79.5%-92.8%). Droplets were all tiny, and the major type was aerosol. The smaller the pore diameter of the nozzle, the higher the pressure, and the tinier the droplets. Six types of droplet diameter parameters influenced by pressure and pore diameter could all meet the binary linear equations (R2was 0.928, 0.956, 0.949, 0.949, 0.889 and 0.815); meanwhile, the relationships between six types of droplet diameter parameters and pressure could all be described by quadratic polynomial equations (R2were all more than 0.894). The results provide valuable references for selecting nozzle, adjusting spray pressure and optimizing spray effect of pipeline constant pressure spray in mountainous orchards.

mountainous orchard;pipeline constant pressure spray;droplet diameter parameter;spray pressure;pore diameter

2015-12-11

2016-01-14

广东省自然科学基金(2015A030310398)；现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-27)；公益性行业(农业)科研专项(201203016)；广东省“扬帆计划”引进创新创业团队专项(201312G06)；广东省科技计划项目(2015B090901031)

E-mail: tshong@scau.edu.cn

S 491

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2016.04.008